[0001] Die Erfindung betrifft einen Wire Bonder der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
[0002] Ein Wire Bonder ist ein Automat, mit dem Halbleiterchips nach deren Montage auf einem Substrat unter Einwirkung von Druck, Ultraschall und Wärme verdrahtet werden. Der Wire Bonder weist eine Kapillare auf, die an der Spitze eines Horns eingespannt ist. Die Kapillare dient zum Befestigen des Drahts auf einem Anschlusspunkt des Halbleiterchips und auf einem Anschlusspunkt des Substrats sowie zur Drahtführung zwischen den beiden Anschlusspunkten. Die Bewegung der Kapillare im Raum erfolgt mittels eines Bondkopfs, der in der horizontalen xy-Ebene bewegbar ist, und einer auf dem Bondkopf montierten Wippe, an der das Horn montiert ist und die die Bewegung in der vertikalen z-Richtung ermöglicht.
[0003] Bei der Herstellung der Drahtverbindungen werden der Bondkopf und die Wippe ausserordentlich stark beschleunigt und abgebremst. Diese starken Beschleunigungen führen dazu, dass die Spitze des Horns, wo die Kapillare eingespannt ist, und damit auch die Kapillare in unerwünschte Schwingungen versetzt werden. Die Kapillare kann erst dann auf den Anschlusspunkt abgesetzt werden, wenn die Schwingungen auf ein unbedeutendes Mass abgeklungen sind. Dies bedingt Wartezeiten, die den Bondzyklus verlängern.
[0004] Aus der DE 10 2005 044 048 ist ein Wire Bonder bekannt, bei dem die unerwünschten Schwingungen des Bondkopfs mittels eines Sensors erfasst und mindestens eines zwischen dem Horn und der Wippe angeordneten Aktuators kompensiert werden.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus der DE 10 2005 044 048 bekannte Lösung zu verbessern.
[0006] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
[0007] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und nicht immer massstäblich gezeichnet.
<tb>Fig. 1<sep>zeigt den Bondkopf eines Wire Bonders,
<tb>Fig. 2<sep>illustriert eine Kippbewegung des Bondkopfs,
<tb>Fig. 3 bis 5<sep>zeigen eine Wippe und einen an der Wippe befestigten Körper, der relativ zur Wippe bewegbar ist,
<tb>Fig. 6 bis 9<sep>zeigen in perspektivischer Ansicht verschiedene Membranen, und
<tb>Fig. 10<sep>zeigt eine weitere Membrane.
[0008] Die Fig. 1 zeigt schematisch in perspektivischer Ansicht den Bondkopf 1 eines Wire Bonders. Bei diesem Beispiel ist der Bondkopf 1 ein rotativer Bondkopf, der gemäss dem US Patent US 6 460 751 konstruiert ist und aus einem Schlitten 2 und einem auf dem Schlitten 2 gelagerten, um eine vertikale Achse 3 drehbaren Drehträger 4 besteht. Der Wire Bonder enthält eine horizontal ausgerichtete Gleitplatte 5, einen ersten Antrieb 6 und ein Lagerelement 7 für die Bewegung des Schlittens 2 entlang einer als y-Achse bezeichneten linearen Achse. Auf dem Drehträger 4 ist eine um eine horizontale Achse drehbare Wippe 8 gelagert, an der ein Horn 9 befestigt ist, an dessen Spitze eine einen Draht führende Kapillare 10 eingespannt ist. Auf dem Schlitten 2 ist ein zweiter Antrieb 11 montiert, der den Drehträger 4 um die vertikale Achse 3 dreht.
Der Drehträger 4 ist bezüglich der y-Achse um einen Winkel [theta] von etwa +-15[deg.] drehbar. Auf dem Drehträger 4 ist ein dritter, nicht sichtbarer Antrieb montiert, der die Wippe 8 um die horizontale Achse dreht. An dem der Kapillare 10 gegenüberliegenden Ende des Horns 9 ist ein nicht sichtbarer Ultraschallgeber befestigt, der das Horn 9 mit Ultraschall beaufschlagt.
[0009] Der Bondkopf 1 kann auf unzählige Arten schwingen, wobei sich die Schwingungen konstruktiv nicht oder nur mit unverhältnismässig grossem Aufwand eliminieren lassen. Im Folgenden wird ein einfaches Beispiel vorgestellt für eine Schwingung des Bondkopfs 1, die auftreten kann und unerwünschte Schwingungen des Horns 9 bewirkt. Der Schlitten 2 ist auf der Gleitplatte 5 mittels Luft gelagert, ebenso ist der Drehträger 4 auf dem Schlitten 2 mittels Luft gelagert. Die Steifigkeit der Luftlager ist begrenzt. Infolgedessen kommt es dazu, dass bei grosser Beschleunigung das Luftlager so stark belastet wird, dass sich die Dimensionen des Luftspalts im Luftlager vorübergehend verändern. Diese Veränderungen übertragen sich auf die Spitze der Kapillare 10.
Die Fig. 2illustriert dies - in starker Überzeichnung - exemplarisch für den Fall, wenn der mit hoher Geschwindigkeit in y-Richtung bewegte Schlitten 2 plötzlich stark abgebremst wird. Bei der Abbremsung kann es beispielsweise vorkommen, dass der Bondkopf 1 nach vorne kippt. Wenn die bei der Abbremsung auftretende Beschleunigung wieder abnimmt, kippt der Bondkopf 1 wieder zurück und der Luftspalt 12 wird wieder gleichförmig. Diese Kippbewegung ist von Auge nicht wahrnehmbar. Die Belastung des Luftlagers führt meistens nicht nur zu einer einfachen Kippbewegung, sondern zu aufeinanderfolgenden Kippbewegungen (hin und zurück) mit abklingender Amplitude, d.h. zu Schwingungen des Schlittens 2. In diesem Fall sind die Schwingungen in z-Richtung, d.h. in vertikaler Richtung gerichtet. Ebenso treten Schwingungen des Drehträgers 4 auf, wenn der Drehträger 4 stark beschleunigt wird.
Die Schwingungen des Schlittens 2 und des Drehträgers 4 übertragen sich auf das Horn 9. Unerwünschte Schwingungen treten auch auf, wenn ein anderes Lager als ein Luftlager eingesetzt ist.
[0010] Um die Schwingungen des Horns 9 zu eliminieren, sind wie bei der DE 10 2005 044 048 zusätzliche, zwischen dem Horn 9 und der Wippe 8 angeordnete Aktuatoren vorgesehen, die sehr schnell sehr kleine Wege stellen können. Das Horn 9 ist an einem Körper 13 befestigt, der mittels der Aktuatoren relativ zur Wippe 8 bewegbar ist, so dass die Spitze der am Horn 9 befestigten Kapillare 10 kleine Bewegungen in allen drei Raumrichtungen ausführen kann.
[0011] Die Fig. 3 bis 5 zeigen eine bevorzugte Lösung, bei der als Aktuatoren piezoelektrische Elemente verwendet werden. Die Fig. 3zeigt die Wippe 8 und den Körper 13 in perspektivischer Ansicht. Die Fig. 4zeigt die Wippe 8 und den Körper 13 in einem Längsschnitt entlang der Linie I-I der Fig. 5. Die Fig. 5zeigt in Aufsicht die dem Körper 13 zugewandte Seite der Wippe 8.
[0012] Die dem Körper 13 zugewandte Seite der Wippe 8 enthält eine Vielzahl von Bohrungen, die verschiedenen Zwecken dienen. Bei einem ersten Ausführungsbeispiel nehmen vier Bohrungen 14 bis 17 je ein piezoelektrisches Element auf, das im Folgenden als piezoelektrischer Antrieb 18 bezeichnet wird. Die Zentren der vier Bohrungen 14 bis 17 bilden ein Rechteck. Die piezoelektrischen Antriebe 18 sind vorzugsweise mit einer wärmeleitenden, gummiartigen Vergussmasse in der zugehörigen Bohrung vergossen, um die während des Betriebs entstehende Wärme abzuführen. Bei Bedarf können auch Kühlelemente vorgesehen sein, um die piezoelektrischen Antriebe 18 aktiv zu kühlen. Die piezoelektrischen Antriebe 18 ragen aus den Bohrungen 14 bis 17 heraus und berühren den Körper 13.
Vier, vorzugsweise sechs weitere Bohrungen 19 bis 24 sind beispielsweise in zwei Reihen à drei Bohrungen so angeordnet, dass sich das Zentrum der ersten Bohrung 14 zwischen den beiden Bohrungen 19 und 20, das Zentrum der zweiten Bohrung 15 zwischen den beiden Bohrungen 20 und 21, das Zentrum der dritten Bohrung 16 zwischen den beiden Bohrungen 22 und 23 und das Zentrum der vierten Bohrung 17 zwischen den beiden Bohrungen 23 und 24 befindet. Der Körper 13 ist mit mindestens vier Schrauben 25, die in die Bohrungen 19, 21, 22 und 24 hineingeschraubt sind, federnd an der Wippe 8 befestigt. Bevorzugt ist der Körper 13 jedoch mit sechs Schrauben 25, die in die Bohrungen 19 bis 24 hineingeschraubt sind, federnd an der Wippe 8 befestigt. Die der Wippe 8 zugewandte Seite des Körpers 13 liegt auf allen vier piezoelektrischen Antrieben 18 auf.
Federnd festgeschraubt bedeutet gemäss einer ersten, bevorzugten Variante, dass der Körper 13 mit herkömmlichen Schrauben an der Wippe 8 befestigt ist, die in die vier Bohrungen 19, 21, 22 und 24 bzw. die sechs Bohrungen 19 bis 24 hineingeschraubt sind, und dass zwischen den Kopf der Schrauben 25 und den Körper 13 jeweils eine Feder, beispielsweise eine Tellerfeder 26, eingelegt ist, und bedeutet gemäss einer zweiten Variante, dass der Körper 13 mit vier beziehungsweise sechs Dehnschrauben, die in die vier Bohrungen 19, 21, 22 und 24 bzw. die sechs Bohrungen 19 bis 24 hineingeschraubt sind, an der Wippe 8 befestigt ist. Eine Dehnschraube ist eine Schraube, bei der der Schraubenschaft an einer vorgegebenen Stelle bis knapp unter den Gewindekerndurchmesser verjüngt ist, so dass sie Wechselbelastungen elastisch aufnehmen kann.
Bei beiden Varianten werden bei der Montage die Schrauben so fest angezogen, dass der Körper 13 eine Kraft auf die vier piezoelektrischen Antriebe 18 ausübt: Die vier piezoelektrischen Antriebe 18 sind vorgespannt.
[0013] Im Beispiel sind die Wippe 8 und der Körper 13 mittels sechs Dehnschrauben oder mittels sechs herkömmlichen Schrauben und sechs Tellerfedern 26 miteinander verschraubt. Obwohl diese Lösung die optimale Lösung ist, ist es auch möglich, nur bei den beiden mittleren Bohrungen 20 und 23 Dehnschrauben einzusetzen bzw. nur bei den in die beiden mittleren Bohrungen 20 und 23 eingreifenden Schrauben eine Tellerfeder einzusetzen, und bei den anderen Bohrungen herkömmliche Schrauben einzusetzen. Ebenso ist es möglich, die mittleren Bohrungen 20 und 23 und die entsprechenden Schrauben wegzulassen.
[0014] Die piezoelektrischen Antriebe 18 sind empfindlich auf Scherkräfte, d.h. sie können durch Scherkräfte beschädigt oder sogar zerstört werden. Um dem vorzubeugen, sind die piezoelektrischen Antriebe 18 einerseits auf der dem Körper 13 zugewandten Seite mit einem Kugelkopf versehen. Anderseits ist mit Vorteil eine Membrane 27 zwischen dem Körper 13 und der Wippe 8 angeordnet, die sowohl an der Wippe 8 als auch am Körper 13 befestigt ist. Die Membrane 27 berührt die piezoelektrischen Antriebe 18 nicht. Im Beispiel enthält die Membrane 27 zwei Bohrungen im Zentrum, die entsprechenden Bohrungen der Wippe 8 gegenüberliegen, damit die Membrane 27 mittels Schrauben 34 an der Wippe 8 befestigt werden kann. Diese Bohrungen in der Wippe 8 sind im Zentrum zwischen den vier Bohrungen 14 bis 17 angebracht.
Die Membrane 27 enthält weiter an der Peripherie vier Bohrungen 29 bis 32, die entsprechenden Bohrungen des Körpers 13 gegenüberliegen, damit die Membrane 27 mittels Schrauben am Körper 13 befestigt werden kann. Damit der Zusammenbau von Wippe 8, Membrane 27 und Körper 13 in der beschriebenen Weise möglich ist, enthalten entweder die Wippe 8 und/oder der Körper 13 entsprechende, durchgehende Bohrungen oder Ausnehmungen, damit die Schrauben beim Zusammenbau zugänglich sind. In der Fig. 5sind zwei solche Ausnehmungen 33 der Membrane 27 sichtbar. Umgekehrt ist es auch möglich, das Zentrum der Membrane 27 am Körper 13 und die Wippe 8 an der Peripherie der Membrane 27 zu befestigen.
[0015] Die Membrane 27 ist eine zweidimensionale Struktur, die wie dargestellt kreuzförmig sein kann. Die Aufgabe der Membrane 27 besteht darin, die Wippe 8 und den Körper 13 so miteinander zu verbinden, dass sich der Körper 13 in der durch die zweidimensionale Membrane 27 aufgespannten Ebene relativ zur Wippe 8 nicht bewegen kann, dass jedoch die piezoelektrischen Antriebe 18 den Abstand zwischen dem Körper 13 und der Wippe 8 lokal ändern können.
[0016] Die piezoelektrischen Antriebe 18 haben die Eigenschaft, dass sie unter der Belastung durch die Vorspannung im Laufe der Zeit ihre Länge ändern. Um solche Änderungen zu erfassen, ist es vorteilhaft, zumindest bei einem, vorzugsweise bei allen piezoelektrischen Antrieben 18, an seiner Längsseite einen Dehnmessstreifen anzukleben. Eine alternative Lösung besteht darin, mindestens einen Dehnmessstreifen auf die Membrane 27 zu kleben. Das Ausgangssignal des Dehnmessstreifens bzw. die Ausgangssignale der Dehnmessstreifen werden benutzt, um die effektive Länge der piezoelektrischen Antriebe 18 zu messen und diese entsprechend zu überwachen und wenn nötig neu zu kalibrieren.
[0017] Die Fig. 6 zeigt in perspektivischer Ansicht die Membrane 27 mit zwei Bohrungen im Zentrum, damit die Membrane 27 mittels der Schrauben 35 (Fig. 5) an der Wippe 8 befestigt werden kann, und mit den Bohrungen 29 bis 32, damit die Membrane 27 am Körper 13 (Fig. 4) befestigt werden kann. Des Verständnisses wegen ist in der Fig. 6die Lage der vier piezoelektrischen Antriebe 18 dargestellt. Die Fig. 7zeigt eine weitere mögliche Form der Membrane 27.
[0018] Das beschriebene Ausführungsbeispiel hat vier piezoelektrische Antriebe 18, die dazu dienen, den Körper 13 relativ zur Wippe 8 in zwei orthogonal zueinander verlaufenden Richtungen zu verschwenken. Die gleichen Verschwenkungsmöglichkeiten können auch mit nur drei piezoelektrischen Antrieben 18 erzielt werden. Die Fig. 8und 9 zeigen zwei Ausführungsbeispiele von Membranen 27, die für eine Lösung mit drei piezoelektrischen Antrieben 18 ausgelegt sind. Die in den Fig. 7 bis 9 gezeigten Membranen 27 enthalten mehrere Ausnehmungen.
[0019] Die Fig. 10 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Membrane 27 für den Fall, dass der Körper 13 relativ zur Wippe 8 nur in einer einzigen Richtung verschwenkbar sein muss. Die Membrane 27 enthält die zwei Bohrungen im Zentrum, damit die Membrane 27 mittels der Schrauben 36 (Fig. 5) an der Wippe 8 befestigt werden kann, und drei Bohrungen 29 bis 31, damit die Membrane 27 am Körper 13 (Fig. 4) befestigt werden kann. Falls die Membrane 27 weggelassen wird, dann ist der Körper 13 mit mindestens zwei Schrauben federnd an der Wippe 8 befestigt.
[0020] Die beschriebene Lösung mit den piezoelektrischen Antrieben 18 zeichnet sich durchfolgende Merkmale aus:
- Der Körper 13 und die Wippe 8 bilden ein Teil des Bondkopfs mit einer sehr hohen Steifigkeit.
- Die piezoelektrischen Antriebe 18 ermöglichen dynamische Bewegungen des Körpers 13 relativ zur Wippe 8 in einem Frequenzbereich von 0 (DC) bis etwa 3000 Hz, wobei die Bewegung in Längsrichtung des Horns 9 zwischen 1 [micro]m und etwa 20 [micro]m betragen kann.
- Die piezoelektrischen Antriebe 18 sind im Beispiel so weit vorgespannt, dass ihr Arbeitspunkt bei einer Auslenkung von etwa 5 [micro]m liegt.
[0021] Die beschriebene Kopplung zwischen der Wippe 8 und dem Körper 13 mittels der Membrane 27 hat den Vorteil, dass sich seitwärts gerichtete Bewegungen des Körpers 13 nicht auf die Wippe 8, und umgekehrt, übertragen, d.h. die seitwärts gerichteten Relativbewegungen sind vollständig entkoppelt. Diese Kopplung schützt die piezoelektrischen Antriebe 18 vor unerwünschten Scherkräften, und zwar sowohl wenn die piezoelektrischen Antriebe 18 wie im vorliegenden Fall als Aktuatoren eingesetzt sind, als auch dann, wenn anstelle der piezoelektrischen Antriebe 18 piezoelektrische Elemente als Sensoren eingesetzt werden oder wenn die piezoelektrischen Elemente sowohl einen piezoelektrischen Antrieb als auch einen piezoelektrischen Sensor umfassen.
[0022] Die Erfindung ist nicht auf den in dieser Anmeldung beschriebenen Bondkopf beschränkt. Sie lässt sich bei einem beliebigen Bondkopf eines beliebigen Wire Bonders im Rahmen der unabhängigen Ansprüche einsetzen.